Czy każda rura może być lufą? Badania nad innowacyjnymi układami wymiany ciepła

Choć przypominają gwintowaną lufę, nie służą do strzelania. Rury z wewnętrznym spiralnie skręconym ożebrowaniem doskonale oddają ciepło do otoczenia, ale ich produkcja jest energochłonna i droga. Naukowiec z AGH ma pomysł na to, jak obniżyć koszt produkcji takich układów, a przede wszystkim poprawić ich parametry w zakresie przewodzenia ciepła. Czy doświadczenia z wytwarzania wymienników ciepła mogą pomóc w chłodzeniu luf w broni palnej?

Badacz skupia się m.in. na tym, aby rury wewnętrznie żebrowane produkować alternatywnym, tańszym sposobem: – Jeszcze podczas pracy nad doktoratem pomyślałem: dlaczego by nie robić tego metodą ciągnienia – relacjonuje dr inż. Błoniarz. – W trakcie tego procesu następuje wydłużenie rury przy jednoczesnym zmniejszeniu jej średnicy. Kiedy podczas ciągnienia umieści się wewnątrz rury element, który będzie miał nacięte ukośnie rowki, będzie się w środku obracał. Okazało się, że jeżeli dobrze zaplanujemy i poprowadzimy cały proces, możliwe jest wytworzenie spiralnie skręconych żeber tą metodą.

Naukowiec z AGH podkreśla, że jest to jedynie wstęp do osiągnięcia zaplanowanych nowatorskich efektów końcowych. Wśród zalet produkcji rur wewnętrznie żebrowanych sposobem ciągnienia wymienia też możliwość użycia bardziej złożonych układów materiałowych, co umożliwi ich pracę przy wyższych ciśnieniach i gradientach temperatur. Dr inż. Błoniarz zamierza przetestować w tym celu nie tylko tradycyjne materiały, np. różne gatunki stali, ale również ich kombinacje z innymi tworzywami, dobierając je pod względem wytrzymałości i dobrego przewodnictwa cieplnego.

Badacz przewiduje również modyfikacje, które zintensyfikują wymianę ciepła pomiędzy zewnętrzną ścianką rury i jej otoczeniem. – Zamierzam nanieść na materiał rury warstwę miedzi, którą cechuje bardzo dobre przewodnictwo cieplne, i uformować z niej ożebrowanie. Odpowiedni dobór kształtu żeber oraz specjalna technologia ich formowania pozwolą na uzyskanie przepływu strumienia ciepła w kierunku prostopadłym do osi rury, dzięki czemu będzie ono szybciej odprowadzane – deklaruje dr inż. Błoniarz.

Zastosowania specjalne

Łatwo dostrzec podobieństwo, które łączy rury stosowane w wymiennikach ciepła z lufami gwintowanymi. W obu przypadkach mamy do czynienia z wewnętrznym układem spiralnie skręconych pól i bruzd – w przypadku broni palnej mają one na celu nadanie pociskowi ruchu obrotowego, co m.in. stabilizuje jego lot i przekłada się na celność strzału. Czy wobec tego układ wymiany ciepła, nad którym pracuje naukowiec z AGH, mógłby znaleźć również zastosowanie w przypadku broni palnej? Przegrzewanie się luf pod wpływem wysokiej temperatury spalania gazów prochowych to istotne ograniczenie z punktu widzenia ich użycia na polu walki.

Dr inż. Błoniarz tłumaczy, że producenci uzbrojenia przeważnie skupiają się na tym, aby lufa w trakcie strzelania nagrzewała się wolniej. – Ale możliwe jest też odwrotne podejście, czyli sprawienie, aby ta sama ilość ciepła szybciej została odprowadzona poza lufę– sugeruje pracownik AGH. – Poprzez zwiększenie przewodzenia ciepła w kierunku zewnętrznym cała objętość lufy szybciej się rozgrzeje, ale jej przewód wewnętrzny będzie miał dzięki temu niższą temperaturę, ponieważ taka sama ilość ciepła zostanie zakumulowana w materiale bardziej równomiernie. Jednocześnie im bardziej rozgrzeje się zewnętrzna powierzchnia lufy, tym szybciej ciepło będzie oddawane do otoczenia. Trzeba jednak wówczas zadbać o to, aby ilość dopływającego ciepła nie przewyższała tego odprowadzanego na zewnątrz, bo wówczas może dojść do osłabienia lufy i jej zniszczenia. Tutaj pojawia się podstawowe pytanie: jak to zrobić? Na nie właśnie ma odpowiedzieć realizowany projekt badawczy.

Projekt „Innowacyjna metoda wytwarzania układu intensyfikującego wymianę ciepła” został dofinansowany w ramach XIII edycji programu LIDER realizowanego przez Narodowe Centrum Badań i Rozwoju.